{"id":6576,"date":"2021-02-19T12:29:58","date_gmt":"2021-02-19T11:29:58","guid":{"rendered":"http:\/\/marburg.news\/?p=6576"},"modified":"2021-02-19T12:29:58","modified_gmt":"2021-02-19T11:29:58","slug":"rasend-schnell-bewegungen-von-elektronen-in-molekuelen-verfolgen","status":"publish","type":"post","link":"http:\/\/marburg.news\/?p=6576","title":{"rendered":"Rasend schnell: Bewegungen von Elektronen in Molek\u00fclen verfolgen"},"content":{"rendered":"

K\u00fcnftig kann man Molek\u00fclen wie im Film bei ihren chemischen Reaktionen zuschauen: Die Kombination von zwei neuartigen Verfahren erlaubt erstmals, die blitzschnellen Bewegungen von Elektronen in Molek\u00fclen zu erfassen.
\nDas neue Verfahren kann diese Bewegungen nicht nur zeitlich, sondern auch r\u00e4umlich erfassen. Das berichtet ein Forschungsteam aus Marburg, J\u00fclich und Graz in der Onlineausgabe des Wissenschaftsmagazins „Science“.
\nSie schauen aus wie Luftballons oder Seifenblasen, die Atomkerne in oder zwischen sich einschlie\u00dfen: Unter einem Orbital versteht man in der Chemie den Raum, in dem ein Elektron sich in einem Atom oder Molek\u00fcl wahrscheinlich aufh\u00e4lt. Da die Bewegung von Elektronen nichts anderes ist als eine Form ihrer Energie, stellen Orbitale auch den energetischen Zustand der Elektronen dar.
\n„Bisher konnte man nicht im Bild festhalten, wie sich Elektronen in Molek\u00fclen bewegen“, erkl\u00e4rte der Physiker Dr. Robert Wallauer von der Philipps-Universit\u00e4t. Er ist einer der Leitautoren der aktuellen Ver\u00f6ffentlichung.
\nElektronen stiften die Verkn\u00fcpfung von Atomen zu Molek\u00fclen. Daher verfolgt man in der Chemie seit Jahrzehnten zwei weitreichende Ziele, wie Wallauers Chef Prof. Dr. Ulrich H\u00f6fer erl\u00e4uterte: „Erstens versucht man chemische Reaktionen daraus zu erkl\u00e4ren, wie die Elektronen in Molek\u00fclen r\u00e4umlich verteilt sind; zweitens m\u00f6chte man \u00fcber die Zeit verfolgen, wie sich Elektronen bei chemischen Reaktionen bewegen.“
\nUm diesen Zielen n\u00e4her zu kommen, arbeiten Teams aus der Physik schon seit einigen Jahren in einem Sonderforschungsbereich der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) zusammen, in dem Struktur und Dynamik innerer Grenzfl\u00e4chen untersucht werden. Der Durchbruch gelang den beteiligten Arbeitsgruppen vom Forschungszentrum J\u00fclich, der Universit\u00e4t Graz und der Philipps-Universit\u00e4t, indem sie zwei neuartige Techniken kombinierten.
\nDer experimentelle Ansatz basiert auf dem Verfahren der „Photoemissions-Orbital-Tomografie“, das erst wenige Jahre alt ist. „Dabei wird eine Molek\u00fclschicht mit Photonen beschossen, also mit Lichtteilchen, woraufhin sich die energetisch angeregten Elektronen herausl\u00f6sen“, erl\u00e4uterte Koautor Prof. Dr. Peter Puschnig von der Karl-Franzens-Universit\u00e4t Graz. Er ist einer der Erfinder dieses Verfahrens. „Die Lichtteilchen fliegen danach nicht zuf\u00e4llig in den Raum hinaus, sondern lassen mit Hilfe einer g\u00e4ngigen mathematischen Methode auf die tats\u00e4chliche r\u00e4umliche Verteilung der Elektronen schlie\u00dfen““
\nDas Team verband diese Technik mit „Pump-Probe“-Laser-Experimenten, in denen Elektronen durch extrem kurze Laserimpulse auf ein h\u00f6heres Energieniveau gehoben werden. „Die entscheidende Errungenschaft unserer Arbeit besteht darin, dass wir die Orbitaltaufnahmen, die Tomogramme, mit nie gekannter Aufl\u00f6sung im Femtosekunden-Ma\u00dfstab durch die Zeit verfolgen“, erkl\u00e4rte H\u00f6fer.
\nDie Forschungsgruppe erprobte das kombinierte Verfahren an dem organischen Molek\u00fcl „PTCDA“, das sie auf eine Kupferunterlage auftrug, von der es nur eine hauchd\u00fcnne Oxidschicht trennt. Bestrahlt man eine derartige Probe mit Laserlicht, so bewegen sich Elektronen von einem Orbital in ein anderes. „In Verbindung mit dem Tomografie-Verfahren erm\u00f6glicht uns das, den Weg angeregter Elektronen im echten, r\u00e4umlichen Sinne des Wortes zu verfolgen“, hob Prof. Dr. Stefan Tautz vom J\u00fclicher Team hervor.
\nDie Tomografien der Orbitale decken auf, dass sich die angeregten Elektronen unterschiedlich verhalten, je nachdem, ob die PTCDA-Molek\u00fcle auf der Kupferoberfl\u00e4che l\u00e4ngs oder quer ausgerichtet sind: Entweder bewegt sich ein Elektron aus dem Metall durch die hauchd\u00fcnne Oxidschicht ins Molek\u00fcl oder nur innerhalb des Molek\u00fcls.
\n„Unser Experiment bietet die M\u00f6glichkeit, rasend schnelle Elektronenbewegungen in Zeit und Raum zu beobachten“, fasste H\u00f6fer zusammen. „Wir glauben, dass diese Ergebnisse, die den neuesten Stand der Technik in der Laser- und Elektronenspektroskopie voraussetzen, einen Durchbruch auf diesem Gebiet darstellen.“ K\u00fcnftig werde man mittels dieses Verfahrens verfolgen k\u00f6nnen, wie sich Orbitale ver\u00e4ndern, w\u00e4hrend sich chemische Bindungen bilden oder l\u00f6sen.
\nH\u00f6fer leitet die Arbeitsgruppe „Oberfl\u00e4chendynamik“ an der Philipps-Universit\u00e4t. Er steht dem Marburger Sonderforschungsbereich 1083 „Struktur und Dynamik innerer Grenzfl\u00e4chen“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFB) als Sprecher vor, der seit dem Jahr 2013 besteht und 18 Teilprojekte umfasst. Die Arbeitsgruppe aus J\u00fclich geh\u00f6rt dem Verbund seit dem Jahr 2017 an.
\nUnter inneren Grenzfl\u00e4chen sind die Kontaktzonen zwischen zwei Materialschichten zu verstehen. Die Erkenntnisse des Verbunds sollen Grundlagen f\u00fcr neue Bauelemente bilden, deren Eigenschaften entscheidend von Grenzfl\u00e4cheneffekten abh\u00e4ngen etwa in der Mikroelektronik, der Solarenergietechnik und in der Sensorik. Der SFB bietet in einem Film auf dem Youtube-Kanal der Philipps-Universit\u00e4t einen Einblick in die Welt der Grenzfl\u00e4chen auf atomarer Skala